CN104060173B - 一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料及其原位热挤压制备方法 - Google Patents
一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料及其原位热挤压制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104060173B CN104060173B CN201410311871.5A CN201410311871A CN104060173B CN 104060173 B CN104060173 B CN 104060173B CN 201410311871 A CN201410311871 A CN 201410311871A CN 104060173 B CN104060173 B CN 104060173B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alc
- powder
- temperature
- mould
- based composites
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料及其原位热挤压制备方法。该材料中Ti3AlC2的体积含量为5～40vol.％，其余为Fe；该材料的制备方法：按比例称取适量的Ti3AlC2粉和Fe粉均匀混合，将混合后的原料粉装入石墨模具中，并施加5～8MPa的压强，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按10～30℃/min的升温速率，将炉温升至1100～1400℃，保温20～120min，之后随炉以2～5℃/min冷却，降温到1000℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加10～30MPa的压强，保持温度和压强30min，进行原位热挤压，然后以10～15℃/min的速率降温，冷却后，即得到本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料；该材料具有高强度、高硬度、耐磨耗等显著特点，可广泛用于机械制造、交通运输、军工、化工和能源领域的关键器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料及其原位热挤压制备方法。
背景技术
由一种或几种陶瓷相增强钢铁基复合材料，能提高传统钢铁材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性等特性，在机械、化工、冶金、交通等领域有广泛的用途。例如，道岔、制动盘等轨道交通材料采用陶瓷增强铁基复合材料可以提高其耐磨性和耐蚀性；核能领域的结构材料中采用陶瓷增强铁基复合材料，可以提高其抗辐照和耐高温能力，满足各种裂变快堆和聚变堆的需要；冶金行业里的轧辊材料采用陶瓷增强铁基复合材料，可以避免通常Cr铸铁(钢)工作表面和高强韧的球墨铸铁芯部组成的复合结构轧辊的高温耐磨性，以及新型的钢结硬质合金轧辊所存在的韧性低、易开裂、消耗大、成本昂贵等不足；陶瓷增强复合钢铁材料还可以作为在机械行业中耐磨轴承、化工行业中的石油和水煤浆管道等。
钛铝碳(Ti3AlC2)是一种新型的三元碳化物陶瓷，由M.A.Pietzka和J.C.Schuster首次发现并在《J.Phase Equilib》1994年第15期392页公开报道。钛铝碳属于六方晶系，晶粒为层状结构、外形呈板状，理论密度为4.25g/cm3。其多晶块体材料的维氏硬度为3.5GPa、杨氏模量为297GPa、室温压缩强度为540～580MPa、室温弯曲强度为360～390MPa、室温电阻率为0.35μΩ·m，经1100℃淬火后强度不降低，可机加工(参考文献：N.V.Tzenov和M.W.Barsoum,J.Am.Ceram.Soc.,2000,83[4]:825)。此外，其多晶块体材料具有良好的摩擦学性能：在0.8MPa压强和60m/s滑动速度下，对低碳钢的干摩擦系数约为0.1，磨损率约为2.5×10-6mm3/Nm(参考文献：H-X Zhai，et al,Mater.Sci.Forum,2005[475-479]:1251)。因此，将其作为增强相来增强Fe基复合材料，可以具有很好的强度、硬度和耐磨性。但是，目前为止还没有利用这种新型陶瓷来增强Fe基复合材料的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以钛铝碳(Ti3AlC2)和纯铁(Fe)为原料制成的Ti3AlC2增强Fe基复合材料及其原位热挤压制备方法。
本发明的技术方案：
本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料，其成分如下：
Ti3AlC2的体积含量为5～40vol％，其余为Fe。
本发明的一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料原位热挤压制备方法，该方法包括以下各步骤：
步骤1，配料：将钛铝碳(Ti3AlC2)粉和纯铁(Fe)粉按以下比例配料：
Ti3AlC2＝2.8～26.6wt％，
Fe＝81.2～73.4wt％；
步骤2，混料：每100克上述配料中加入70～120毫升的无水乙醇、200～400克的玛瑙球，球磨2～4小时，在烘箱中60～70℃烘干，将烘干的混合原料研碎，过70～100目筛；
步骤3，预压成型：将一定质量的混合粉料装入石墨模具中，并施加5～8MPa的压强，使模具中的粉料压实成型；
步骤4，烧结：将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按10～30℃/min的升温速率，将炉温升至1100～1400℃，保温20～120min；
步骤5，原位热挤压：将上述烧结后的样品，在热压烧结炉中以2～5℃/min冷却，降温到1000℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加10～30MPa的压强，保持温度和压强30min，然后以10～15℃/min的速率降温，冷却后，即得到本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料。
本发明所具有的有益效果：
本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料，其最高屈服强度可以达到570MPa，远高于低碳钢的屈服强度，甚至接近水韧处理后的高锰钢屈服强度。其拉伸强度、最大变形率和布氏硬度依钛铝碳和铁的原料配比而不同；钛铝碳的比例越大所制成的Ti3AlC2增强Fe基复合材料的拉伸强度和布什硬度越大而最大变形率越小。本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料，其屈服强度最高可达570MPa，拉伸强度最大可达817MPa，最大伸长率可达11.5％，布什硬度最高为390HB；对于本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料的应用，可根据实际的使用要求选取适当的钛铝碳和铁的原料配比。本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料的原位热挤压制备方法，其主要的好处在于工艺简单，易于操作，适合制造需要高强度高致密度的零件。
本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料可广泛用于机械、交通、化工、军工等领域，例如用于制造高速铁路的制动盘、机械行业中的耐磨轴承、石油和水煤浆管道等。
附图说明
图1是本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料显微结构的金相照片。深色部分为Ti3AlC2颗粒，浅色部分为Fe。
图2是本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料的断口的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施方式
实施方式一
称取纯度为98.4％的Ti3AlC2粉1.4克、纯度为98％的Fe粉48.6克，混合后加入50毫升无水乙醇和150克玛瑙球，球磨混料2小时，然后烘干、研碎、过100目筛，将混合粉料装入石墨模具中，并施加5MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按10℃/min的升温速率，将炉温升至1100℃，保温30min；将上述烧结后的样品，在热压烧结炉中以2℃/min冷却，降温到1000℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加10MPa的压强，保持温度和压强30min，然后以10℃/min的速率降温，冷却后，即得到本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料。
将上述的Ti3AlC2增强Fe基复合材料，加工成长度为36mm，厚度为3mm，中部矩形部分宽度为4mm，引伸计标距为10mm，在拉伸试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为113MPa，拉伸强度为206MPa，最大延伸率为11.5％；测得该样品的布氏硬度为82HB。
实施方式二
称取纯度为98.4％的Ti3AlC2粉4.35克、纯度为98％的Fe粉45.65克，混合后加入60毫升无水乙醇和170克玛瑙球，球磨混料3小时，然后烘干、研碎、过100目筛，将混合粉料装入石墨模具中，并施加7MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按12℃/min的升温速率，将炉温升至1300℃，保温50min；将上述烧结后的样品，在热压烧结炉中以4℃/min冷却，降温到1000℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加25MPa的压强，保持温度和压强30min，然后以13℃/min的速率降温，冷却后，即得到本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料。
将上述的Ti3AlC2增强Fe基复合材料，加工成长度为36mm，厚度为3mm，中部矩形部分宽度为4mm，引伸计标距为10mm，在拉伸试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为268MPa，拉伸强度为583MPa，最大延伸率为8.3％；测得该样品的布氏硬度为170HB。
实施方式三
称取纯度为98.4％的Ti3AlC2粉5.95克、纯度为98％的Fe粉44.05克，混合后加入40 毫升无水乙醇和190克玛瑙球，球磨混料4小时，然后烘干、研碎、过100目筛，将混合粉料装入石墨模具中，并施加8MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率，将炉温升至1400℃，保温100min；将上述烧结后的样品，在热压烧结炉中以4℃/min冷却，降温到1000℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加30MPa的压强，保持温度和压强30min，然后以15℃/min的速率降温，冷却后，即得到本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料。
将上述的Ti3AlC2增强Fe基复合材料，加工成长度为36mm，厚度为3mm，中部矩形部分宽度为4mm，引伸计标距为10mm，在拉伸试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为360MPa，拉伸强度为666MPa，最大延伸率为7.8％；测得该样品的布氏硬度为218HB。
实施方式四
称取纯度为98.4％的Ti3AlC2粉9.4克、纯度为98％的Fe粉40.6克，混合后加入60毫升无水乙醇和200克玛瑙球，球磨混料4小时，然后烘干、研碎、过100目筛，将混合粉料装入石墨模具中，并施加8MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按30℃/min的升温速率，将炉温升至1400℃，保温120min；将上述烧结后的样品，在热压烧结炉中以4℃/min冷却，降温到1000℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加30MPa的压强，保持温度和压强30min，然后以15℃/min的速率降温，冷却后，即得到本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料。
将上述的Ti3AlC2增强Fe基复合材料，加工成长度为36mm，厚度为3mm，中部矩形部分宽度为4mm，引伸计标距为10mm，在拉伸试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为495MPa，拉伸强度为763MPa，最大延伸率为5.1％；测得该样品的布氏硬度为330HB。
实施方式五
称取纯度为98.4％的Ti3AlC2粉13.3克、纯度为98％的Fe粉36.7克，混合后加入50毫升无水乙醇和180克玛瑙球，球磨混料2小时，然后烘干、研碎、过100目筛，将混合粉料装入石墨模具中，并施加6MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按15℃/min的升温速率，将炉温升至1200℃，保温40min；将上述烧结后的样品，在热压烧结炉中以4℃/min冷却，降温到1000℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加20MPa的压强，保持温度和压强30min，然后以15℃/min的速率降温，冷却后，即得到本发明的Ti3AlC2增强Fe基复合材料。
将上述的Ti3AlC2增强Fe基复合材料，加工成长度为36mm，厚度为3mm，中部矩形 部分宽度为4mm，引伸计标距为10mm，在拉伸试验机上以0.5mm/min的速率进行加载；测得其屈服强度为570MPa，拉伸强度为817MPa，最大延伸率为4.8％；测得该样品的布氏硬度为390HB。
上述实施方式使用的Ti3AlC2粉为专利申请号：200510011650.7，发明名称：“一种钛铝碳化物粉料及其以锡为反应助剂的合成方法”所制备的钛铝碳化物粉料。
Claims (2)
1.一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料，其特征在于：其成分如下：
Ti3AlC2的体积含量为5～40vol％，其余为Fe；
所述Ti3AlC2增强Fe基复合材料由原位热挤压方法制备得到，步骤为：
步骤1，配料：将钛铝碳(Ti3AlC2)粉和纯铁(Fe)粉按以下比例配料：
Ti3AlC2＝2.8～26.6wt％，
Fe＝81.2～73.4wt％；
步骤2，混料：每100克上述配料中加入70～120毫升的无水乙醇、200～400克的玛瑙球，球磨2～4小时，在烘箱中60～70℃烘干，将烘干的混合原料研碎，过70～100目筛；
步骤3，预压成型：将一定质量的混合粉料装入石墨模具中，并施加8MPa的压强，使模具中的粉料压实成型；
步骤4，烧结：将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率，将炉温升至1400℃，保温100min；
步骤5，原位热挤压：将上述烧结后的样品，在热压烧结炉中以4℃/min冷却，降温到1000℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加30MPa的压强，保持温度和压强30min，然后以15℃/min的速率降温，冷却后，即得到Ti3AlC2增强Fe基复合材料。
2.一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料的原位热挤压制备方法，其特征在于：该方法包括以下
步骤：
步骤1，配料：将钛铝碳(Ti3AlC2)粉和纯铁(Fe)粉按以下比例配料：
Ti3AlC2＝2.8～26.6wt％，
Fe＝81.2～73.4wt％；
步骤2，混料：每100克上述配料中加入70～120毫升的无水乙醇、200～400克的玛瑙球，球磨2～4小时，在烘箱中60～70℃烘干，将烘干的混合原料研碎，过70～100目筛；
步骤3，预压成型：将一定质量的混合粉料装入石墨模具中，并施加8MPa的压强，使模具中的粉料压实成型；
步骤4，烧结：将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率，将炉温升至1400℃，保温100min；
步骤5，原位热挤压：将上述烧结后的样品，在热压烧结炉中以4℃/min冷却，降温到1000℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的样品施加30MPa的压强，保持温度和压强30min，然后以15℃/min的速率降温，冷却后，即得到Ti3AlC2增强Fe基复合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410311871.5A CN104060173B (zh) | 2014-07-02 | 2014-07-02 | 一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料及其原位热挤压制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410311871.5A CN104060173B (zh) | 2014-07-02 | 2014-07-02 | 一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料及其原位热挤压制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104060173A CN104060173A (zh) | 2014-09-24 |
| CN104060173B true CN104060173B (zh) | 2016-08-24 |
Family
ID=51548102
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410311871.5A Active CN104060173B (zh) | 2014-07-02 | 2014-07-02 | 一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料及其原位热挤压制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104060173B (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104630601A (zh) * | 2015-01-27 | 2015-05-20 | 安徽同盛环件股份有限公司 | 一种耐高温合金钢的制备工艺 |
| CN104759618B (zh) * | 2015-04-17 | 2016-11-23 | 合肥工业大学 | 一种钛铁基含油减摩材料 |
| CN104862575B (zh) * | 2015-05-11 | 2017-01-04 | 北京交通大学 | 一种Ti3AlC2/Fe基复合材料的无压浸渗制备方法 |
| CN105483496A (zh) * | 2015-12-14 | 2016-04-13 | 无锡福镁轻合金科技有限公司 | 一种用于导轨的复合材料 |
| CN105908052A (zh) * | 2016-06-13 | 2016-08-31 | 北京建筑大学 | 一种Cr2AlC增强Fe基复合材料及其无压烧结制备方法 |
| CN107649674B (zh) * | 2017-08-14 | 2019-04-02 | 天津工业职业学院 | 一种粉末冶金耐磨汽车轴承及其制备方法 |
| CN109022992A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-18 | 燕山大学 | 一种含多元润滑相的Fe基耐高温复合材料及其制备方法 |
| CN109022993A (zh) * | 2018-08-20 | 2018-12-18 | 燕山大学 | 一种Fe基耐高温自润滑复合材料及其制备方法 |
| CN109706370B (zh) * | 2018-12-28 | 2020-04-28 | 西安交通大学 | 一种原位合成max相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法 |
| CN110565026A (zh) * | 2019-09-25 | 2019-12-13 | 燕山大学 | 一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料及其制备方法 |
| CN114891977B (zh) * | 2022-07-13 | 2022-11-01 | 北京建筑大学 | TiCx/Fe(Al)原位反应型复合材料热处理方法、系统、设备与介质 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1242083C (zh) * | 2001-11-29 | 2006-02-15 | 中国科学院金属研究所 | 一种Ti3AlC2复合材料增强剂的制备方法 |
| US8747515B2 (en) * | 2003-12-27 | 2014-06-10 | Advance Material Products, Inc | Fully-dense discontinuously-reinforced titanium matrix composites and method for manufacturing the same |
| CN100382918C (zh) * | 2005-11-10 | 2008-04-23 | 上海大学 | Ti3AlC2粉体的制备方法 |
| CN101824576B (zh) * | 2009-03-04 | 2012-11-07 | 中国科学院金属研究所 | 一种锆铝硅碳-碳化硅复合材料及其制备方法 |
-
2014
- 2014-07-02 CN CN201410311871.5A patent/CN104060173B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104060173A (zh) | 2014-09-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104060173B (zh) | 一种Ti3AlC2增强Fe基复合材料及其原位热挤压制备方法 | |
| Tao et al. | Compressive behavior of Al matrix syntactic foams toughened with Al particles | |
| Mahdavi et al. | Effect of the graphite content on the tribological behavior of Al/Gr and Al/30SiC/Gr composites processed by in situ powder metallurgy (IPM) method | |
| Abouelmagd | Hot deformation and wear resistance of P/M aluminium metal matrix composites | |
| Venkatesh et al. | Microstructural characterization and mechanical behaviour of SiC and kaoline reinforced aluminium metal matrix composites fabricated through powder metallurgy technique | |
| Lin et al. | Microstructure and abrasive behaviors of TiC-316L composites prepared by warm compaction and microwave sintering | |
| Stalin et al. | Investigations on characterization and properties of Al-MoO3 composites synthesized using powder metallurgy technique | |
| CN108359825B (zh) | 一种陶瓷-石墨烯增强铜基复合材料的制备方法 | |
| Mindivan | Reciprocal sliding wear behaviour of B4C particulate reinforced aluminum alloy composites | |
| CN104630664A (zh) | 一种新型碳纤维增韧的Ti(C,N)基金属陶瓷材料的制备方法 | |
| CN102390980B (zh) | 梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法 | |
| CN104674047B (zh) | 一种双连续相Ti3AlC2/Ni基复合材料及其无压浸渗制备方法 | |
| CN103572087A (zh) | 碳化硼颗粒增强铝基复合材料的制备方法 | |
| CN105778405A (zh) | 车用铁基粉末冶金复合摩擦材料及其制备方法 | |
| Ravichandran et al. | Workability studies on Al+ 2.5% TiO2+ Gr powder metallurgy composites during cold upsetting | |
| CN104388760A (zh) | 硼酐颗粒混杂钛铝基粉末冶金材料及其应用 | |
| CN103173675A (zh) | 一种铁铝碳化钛复合材料的制备方法 | |
| Ravichandran et al. | Al–TiO 2–Gr powder metallurgy hybrid composites with cold upset forging | |
| CN104862575B (zh) | 一种Ti3AlC2/Fe基复合材料的无压浸渗制备方法 | |
| Mingchao et al. | Effect of fiber type on mechanical properties of short carbon fiber reinforced B4C composites | |
| Ratov et al. | Effect of vanadium nitride additive on the structure and strength characteristics of diamond-containing composites based on the Fe–Cu–Ni–Sn matrix, formed by cold pressing followed by vacuum hot pressing | |
| CN103276324A (zh) | 增强6061铝基复合材料的制备方法 | |
| Manohar et al. | Effect of Sintering temperatures on mechanical properties of AA7075/B4C/graphite hybrid composite fabricated by powder metallurgy techniques | |
| Song et al. | Elevated temperature strength and thermal shock behavior of hot-pressed carbon fiber reinforced TiC composites | |
| CN105483487B (zh) | 一种含锆的碳化硼‑铝合金复合材料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |